馬嘉瑜，樸香淑

（中國農(nóng)業(yè)大學動物科學技術(shù)學院，動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，北京 100193）

隨著養(yǎng)殖企業(yè)中飼用抗生素的頻繁與大量使用，其所帶來的細菌耐藥性增強、環(huán)境污染嚴重等弊端愈發(fā)明顯，引發(fā)了人們對食品安全的重視。2020 年7 月1 日，在我國全面實施畜禽飼料禁抗戰(zhàn)略的大背景下[1]，一類既能夠有效促進畜禽的健康生長，又能夠?qū)Νh(huán)境和人類安全無害的替抗產(chǎn)品在市場上逐漸興起，酸化劑、酶制劑、抗菌肽、益生菌以及植物提取物等[2]替抗產(chǎn)品引起高度關(guān)注。酸化劑作為一種綠色無污染的功能性飼料添加劑產(chǎn)品，在畜禽生長性能、免疫功能以及腸道健康等方面發(fā)揮著積極作用[3]。本文對酸化劑的分類及其作用機制進行梳理，基于近幾年酸化劑在畜禽生長性能、免疫抗氧化以及腸道健康等方面的應用效果進行分析和總結(jié)，并對酸化劑應用中出現(xiàn)的問題提出建議，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1 酸化劑

酸化劑是一類能夠降低飼料pH 的物質(zhì)，根據(jù)成分可分為單一型酸化劑和復合型酸化劑，根據(jù)加工工藝可分為包被型酸化劑和未包被型酸化劑等。本文以酸化劑的成分和形式的不同將其分為有機型酸化劑和無機型酸化劑（圖1）。

圖1 酸化劑分類組合及其主要的飼用效果[2,4-14]

1.1 有機酸化劑 有機酸化劑是由一種或者多種有機酸共同組成的一類酸化劑。有機酸是一類含有羧基的酸性有機化合物（氨基酸除外），在自然界中廣泛存在，如蘋果酸、檸檬酸、酒石酸等；此外，也可以通過化學合成來合成有機酸。飼料中常見的有機酸化劑根據(jù)其特性分為兩類。一種是通過降低胃腸道環(huán)境的pH 并參與機體能量代謝（三羧酸循環(huán)）的有機酸，如富馬酸、檸檬酸等大分子有機酸的保護性酸化劑。這類有機酸只能在胃中發(fā)揮作用，無法到達小腸并降低pH[2]。此外，這類有機酸的相對分子質(zhì)量較大，單位重量的酸分子所解離釋放的氫離子也比較少，所以在降pH 作用方面可能不如小分子有機酸。另一種是通過降低胃腸道pH、破壞細菌細胞膜、干擾細菌物質(zhì)代謝和DNA 合成等過程來達到抑菌目的的抑制性酸化劑[15]，代表酸主要有甲酸、乙酸、丙酸等相對分子質(zhì)量較小的酸，其主要是改善畜禽的腸道健康、提高畜禽生產(chǎn)力、參與體內(nèi)代謝調(diào)節(jié)和增強免疫力等。

1.2 無機酸化劑 無機酸化劑是由一種或者多種無機酸共同組成的一類酸化劑。無機酸是一類能解離出H+的無機化合物。在飼料中應用的無機酸主要有鹽酸、硫酸和磷酸，但硫酸和鹽酸添加到飼料中沒有明顯改善畜禽的生長性能，反而會影響體內(nèi)鈣的代謝平衡，對動物骨骼發(fā)育等產(chǎn)生負面影響[14]。此外，硫酸和鹽酸為強酸，其強腐蝕性易對畜禽、設(shè)備和工人身體帶來較大的危險，目前已經(jīng)被淘汰。而磷酸對于畜禽生長性能表現(xiàn)出了積極效應[16]，但為了避免磷在畜禽體內(nèi)富集以及鈣磷比例的失衡，使用磷酸作為無機酸化劑時要考慮飼料配方中磷的含量以及鈣磷比例。

1.3 有機酸化劑與無機酸化劑的區(qū)別及優(yōu)勢 飼料酸化劑最重要的一個功能就是降低飼料和腸道的pH，從而提高消化酶活性來促生長。而酸化劑降低pH 的能力取決于酸的離解度和分子量[17]。與有機酸化劑相比，無機酸化劑離解程度高且離解速度較快，能夠快速地降低飼料和胃內(nèi)的pH，具有較強的酸性；在胃內(nèi)解離產(chǎn)生的H+會大幅縮短胃中pH 降低的時間[18]，解離后陰離子通常為無機物，無法參與機體內(nèi)的代謝合成過程，但其部分解離產(chǎn)物（如磷酸根離子）會在畜禽體內(nèi)作為有效的磷源來補充。有機酸化劑的離解度低，所以降低胃中pH 的速度和能力都比無機酸化劑較慢。但胃中pH的急劇降低會損傷胃黏膜，影響胃黏膜功能，從而抑制胃酸的分泌[19]。此外，無機酸化劑在飼料上酸化能力過強，降低了飼料的適口性。有機酸化劑除了能夠在畜禽消化道解離產(chǎn)生H+，用于降低腸道的pH 外，其解離產(chǎn)生的酸根離子通常也是有機的，可以作為體內(nèi)的中間代謝物質(zhì)，參與細胞能量代謝及供能等過程[20]?？傊?，與有機酸化劑相比，無機酸化劑的功能比較單一，但是其成本較低，通常與有機酸化劑結(jié)合起來形成一種復合酸化劑，從而達到節(jié)約飼料成本、提高經(jīng)濟效益的目的。

1.4 復合酸化劑 復合酸化劑是根據(jù)實際生產(chǎn)需求，由特定的有機酸和無機酸復合而成。復合酸化劑結(jié)合了各自獨特的優(yōu)勢，充分克服了有機酸化劑的添加劑量大和經(jīng)濟成本高、無機酸化劑功能單一和腐蝕性強的缺陷。優(yōu)質(zhì)的復合酸化劑中各成分之間能夠很好地協(xié)同并將其作用和優(yōu)勢最大化，且使用效果遠優(yōu)于單一酸化劑，這在許多試驗中得到印證[21]。因此，復合酸化劑也因其作用范圍廣、添加劑量少、飼料成本低等優(yōu)勢被廣泛應用。

1.5 包被酸化劑 包被酸化劑是在復合酸化劑的基礎(chǔ)上，通過改進生產(chǎn)工藝，將酸化劑進行微囊化[7]。包被酸化劑能夠減緩酸化劑在腸道中的流通速率，進行持續(xù)的酸化作用，并且能夠作用于后腸道并降低pH，減少后腸道病原微生物的增殖[9]。包被酸化劑能夠在畜禽胃腸道中持久穩(wěn)定的發(fā)揮作用，它彌補了復合酸化劑無法到達后腸道的弊端，但也增加了經(jīng)濟成本。因此，在生產(chǎn)應用中，應結(jié)合實際情況來進行考慮。

2 酸化劑的作用機理

無機酸化劑由于無法滲透到細菌細胞內(nèi)，其抑菌機制基本上是在動物胃腸道內(nèi)解離H+產(chǎn)生效應，降低細菌細胞內(nèi)pH，破壞細胞的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，從而抑制病原菌的生長[19]。有機酸化劑的抑菌機理比較復雜，見圖2。

圖2 酸化劑分子作用機制圖

2.1 降低飼料pH 和系酸力 酸結(jié)合力即系酸力，是指將100 g 飼料溶于200 mL 去離子水中，用1 mol/L 的鹽酸進行滴定，使pH 達到4 時所消耗的鹽酸毫升數(shù)[22]。飼料的系酸力越強，飼料越顯堿性。畜禽采食飼料后，胃中釋放的胃液與飼料充分接觸，在接觸過程中會逐步提高胃中胃液的pH，而胃蛋白酶在pH 為3～5 時活性最強。胃內(nèi)pH 高于5 后，胃蛋白酶原無法被激活并無法有效釋放，從而降低了畜禽對飼糧蛋白質(zhì)和碳水化合物等物質(zhì)的消化力。此外，胃內(nèi)pH 較高有利于飼料中的大腸桿菌、沙門氏菌等病原微生物進入小腸，且腸道內(nèi)較高的pH 也為病原菌的增殖提供了條件，加速了病原菌的生長繁殖[23]。系酸力越低，則飼料酸性越強，其適口性會變差，導致畜禽的采食量降低，從而間接影響畜禽的生長性能[22]。畜禽常見有害菌和有益菌的最適生長pH 見表1。

表1 常見有益菌和有害菌的最適生長pH[24]

2.2 參與機體能量代謝過程，提高免疫力 檸檬酸和延胡索酸等有機酸是機體三羧酸循環(huán)的重要產(chǎn)物之一，其產(chǎn)生能量的途徑較葡萄糖的糖酵解途徑短，在機體應激狀態(tài)下可以短期內(nèi)緊急合成大量的ATP 來保證機體能量代謝，有利于提高機體的抵抗力[25]（圖2 途徑①）。另外，乳酸、丁酸等有機酸也可以通過糖異生等途徑來合成葡萄糖，保證機體正常的營養(yǎng)和物質(zhì)代謝。此外，還有研究表明，丁酸及其鹽可以恢復斷奶仔豬應激所造成的小腸上皮細胞的損傷，但其具體機制還有待進一步的研究證明[26]。

2.3 破壞細菌細胞外膜 有機酸進入動物胃腸道后，一部分解離產(chǎn)生H+用于降低pH，而另一部分以未解離的狀態(tài)通過自由擴散方式進入宿主和細菌細胞內(nèi)[27]（圖2途徑②）。細菌外膜的脂多糖是細菌的一道防御屏障，可以有效阻止富馬酸、檸檬酸等大分子有機酸或抗生素進入細菌細胞內(nèi)；甲酸、乙酸等小分子有機酸則可以通過外膜孔道蛋白進入周質(zhì)空間，然后從后方與細菌外膜的脂多糖羧基、磷酸基團發(fā)生質(zhì)子化反應，從而減弱細菌外膜的防御力[28]；隨著細菌外膜脂多糖和蛋白組分的逐漸解離，細菌外膜的完整性被破壞，細菌內(nèi)容物外泄從而引發(fā)細菌死亡，實現(xiàn)抑菌的目的[29]。

2.4 能量競爭與滲透壓的升高 有機酸的pKa 是一個反映有機酸動態(tài)平衡的離解常數(shù)，當外部環(huán)境的pH 比該有機酸的pKa 值大，則有機酸會解離出H+來中和以維持一種動態(tài)平衡[30]（圖2 途徑③）。飼用酸化劑中的部分有機酸通過自由擴散方式進入細菌細胞內(nèi)部，但也有研究表明有機酸的跨膜轉(zhuǎn)運也可以通過細菌細胞膜上的通道蛋白來實現(xiàn)[18]。由于細菌細胞內(nèi)部為中性或者堿性，比有機酸的pKa 值大。根據(jù)有機酸的動態(tài)平衡方程：RCOOH?H++RCOO-，有機酸會解離出H+和酸根離子RCOO-[31]，解離出的離子無法通過自由擴散的方式排出細胞外，因此細菌細胞內(nèi)的H+大量聚集，造成細胞內(nèi)的pH 下降，而細菌為了細胞功能的正常運轉(zhuǎn)，急需恢復原來的中性或堿性環(huán)境，因此不惜消耗大量ATP 以主動運輸方式將H+從細胞內(nèi)排出，從而影響細菌正常生長代謝所需要的能量，形成一種能量競爭[32]。

隨著有機酸在細胞內(nèi)解離產(chǎn)生的RCOO-不斷增多，細胞內(nèi)的滲透壓逐漸升高，為平衡升高的滲透壓，細菌必須將帶負電的離子排除細胞外，迫使細菌將自身生長所必須的前體物質(zhì)或輔助因子排出體外，從而影響細菌的正常生長[33]。研究表明，大腸桿菌細胞內(nèi)乙酸解離產(chǎn)生的CH3COO-濃度由開始的8 mmol/L 逐漸增加到250 mmol/L 時，細菌細胞中帶負電荷的谷氨酸根離子（Glu-）減少近80%，且大腸桿菌的生長速率也顯著降低[34]，這表明大腸桿菌通過釋放Glu-來維持細胞內(nèi)的滲透壓平衡，造成自身生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)減少，生長速率減慢。此外，H+在細菌細胞內(nèi)通過膜轉(zhuǎn)運蛋白泵至細胞外，K+通過離子通道泵入細胞內(nèi)，此過程會進一步加大細胞內(nèi)滲透壓的增高，最終造成細胞膜負荷過大，膜結(jié)構(gòu)裂解，內(nèi)容物外泄，引發(fā)細菌死亡[28]。

2.5 抑制細菌內(nèi)部大分子物質(zhì)的合成 RCOO-的不斷聚集使細菌細胞內(nèi)部穩(wěn)態(tài)環(huán)境改變，進而干擾細菌內(nèi)部一系列生理生化特性。研究表明，有機酸通過抑制DNA合成所需要的核糖核酸還原酶來干擾大腸桿菌的DNA復制，從而抑制細菌生長[35]（圖2 途徑④）。有機酸不僅可以影響DNA 的合成，還可以通過改變細菌代謝途徑來降低細菌對葡萄糖的利用效率。Pieterse 等[36]表明，在植物乳桿菌Lactobacillus plantarum培養(yǎng)過程中添加乳酸，丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸的代謝途徑隨著體內(nèi)乳酸濃度的不斷增加受到反饋性抑制；為避免丙酮酸在體內(nèi)的積累，乳酸轉(zhuǎn)而增強磷酸戊糖途徑中轉(zhuǎn)酮醇酶、轉(zhuǎn)醛醇酶等酶的活性，改變原有的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸的代謝途徑；但會導致NAD+減少，產(chǎn)能下降，細菌的絕對生長率降低。此外，有機酸還可以通過阻斷或者改變一些關(guān)鍵酶或合成途徑來抑制細菌生長[37]。研究表明，用乙酸處理的大腸桿菌Escherichia coli（E.coli）K-12 體內(nèi)同型半胱氨酸含量顯著提高，甲硫氨酸含量降低，而同型半胱氨酸是合成甲硫氨酸的前體物質(zhì)，說明乙酸的添加阻斷了同型半胱氨酸合成甲硫氨酸的途徑，使細菌生長受到抑制[38]。此外，同型半胱氨酸在細胞內(nèi)的聚集也會對細菌產(chǎn)生毒害作用，使細菌生長受阻[39]。

2.6 誘導抗菌肽表達 有研究表明，酸化劑中的部分有機酸可以通過激活和調(diào)節(jié)宿主的免疫系統(tǒng)，誘導宿主細胞自身產(chǎn)生某種抗菌肽，抗菌肽通過裂解細菌細胞膜，使得內(nèi)容物外泄，造成細菌死亡，達到抑菌的目的[40]（圖2 途徑⑤）。因抗菌肽源于宿主本身，病原菌也不易產(chǎn)生耐藥性，增強了宿主細胞自身的安全性[41]。研究表明，甲酸、乳酸可誘導人殺菌/滲透性強化蛋白的衍生肽P2 的表達[42]。Schwab 等[43]研究也表明，丁酸鈉在翻譯階段可以明顯提高人β防御素2 型（Human betadefensin-2，HBD-2）的表達量。此外，0.25 mmol/L 和0.5 mmol/L 的丁酸鈉可以顯著提高奶牛氣管抗菌肽（TAP）和β防御素基因的相對表達量，同時金黃色葡萄球菌Staphylococcus aureus在宿主細胞上的數(shù)量也減少了近50%。但關(guān)于有機酸誘導宿主細胞產(chǎn)生抗菌肽達到抑菌的具體機理還不明確，未來還需要進一步開展相關(guān)研究。

2.7 其他機制 有研究表明，酸化劑促使畜禽胃腸道中pH 逐漸降低，而胃腸道中酸性增高可以刺激十二指腸腸壁細胞分泌抑胃素來抑制胃的收縮，從而延緩胃的排空速度，使飼料在胃內(nèi)停留時間延長，能夠被胃蛋白酶等充分消化，提高畜禽的蛋白質(zhì)、碳水化合物等的消化率[44]。酸化劑中的有機酸還可以通過氧化分解成CO2和碳酸氫鹽來維持血液中適宜的pH，能有效緩解家禽熱應激所導致的呼吸性堿中毒[45]。此外，檸檬酸等有機酸可以與鈣、銅、磷等礦物質(zhì)元素形成一種螯合物從而促進它們的消化和吸收。Baruah 等[46]研究發(fā)現(xiàn)，添加3%檸檬酸可以顯著提高南亞黑鯪（一種魚類）骨骼中磷和鉬的含量。

3 酸化劑在畜禽飼糧中的應用及主要影響因素

酸化劑在畜禽中的應用因作用方式和特性的不同也表現(xiàn)出不同的效果。綜合而言，酸化劑可以顯著提高畜禽的生長性能[11]、提高免疫和抗氧化能力[12]以及改善腸道菌群結(jié)構(gòu)[13]，使畜禽更加健康，經(jīng)濟效益也有所增長。

3.1 酸化劑對畜禽生長性能的影響 大量的研究結(jié)果表明，酸化劑不僅可以提高畜禽的生長性能，還可以有效緩解腹瀉和治療疾病。由表2 可知，添加0.1%～1.5%的酸化劑可改善斷奶仔豬的平均日增重，降低耗料增重比和腹瀉率；添加0.1%～0.3% 的酸化劑可改善肉雞的生長性能，降低腹瀉率；添加0.2%～0.3% 的酸化劑可顯著增加蛋雞的產(chǎn)蛋率并減少破蛋率。動物在增重、耗料增重比、產(chǎn)蛋率等方面表現(xiàn)出來的差異可能與酸化劑的組成成分、動物的種類以及濃度等相關(guān)。

表2 酸化劑對畜禽生長性能的影響

3.2 酸化劑對畜禽免疫抗氧化性能的影響 部分酸化劑可有效改善動物的免疫抗氧化性能，如延胡索酸、檸檬酸等參與三羧酸循環(huán)的代謝物質(zhì)，其產(chǎn)生ATP 的過程比動物本身的葡萄糖降解途徑短很多，當動物在外界環(huán)境中應激可以緊急合成大量的ATP 維持機體的能量供應，從而表現(xiàn)出較強的抵抗力[47]。Ren 等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在飼料中添加1%的甲酸/丙酸混合物可以有效緩解ETEC K88 攻擊斷奶仔豬產(chǎn)生的炎癥反應，從而顯著降低發(fā)燒和腹瀉率，提高免疫性能。由表3 可知，日糧中添加0.2%～0.5% 的酸化劑可以通過提高血清IgG 和IgM 含量，改善斷奶仔豬的免疫功能，通過減少羥基自由基含量來提高抗氧化性能；在肉雞上酸化劑主要通過提高免疫器官指數(shù)和血清IgG 和IgA 含量來改善免疫功能。

表3 酸化劑對畜禽免疫抗氧化性能的影響

3.3 酸化劑對畜禽腸道健康的的影響 酸化劑通過降低飼料和胃腸道的pH，改變細菌內(nèi)部環(huán)境，內(nèi)環(huán)境偏中性或者堿性的細菌被迫消耗自身代謝物質(zhì)或能量，緩解細胞內(nèi)部pH 降低所造成的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失衡，從而使細菌能量損耗增加，生長和繁殖受阻，最終實現(xiàn)抑菌的目的。此外，胃腸道pH 的降低也有利于刺激乳酸菌（Lactobacillus）等有益菌的代謝活動，加速其生長和繁殖[49]。由表4 可知，母豬飼糧中添加以富馬酸、檸檬酸和中鏈脂肪酸為主的酸化劑可以顯著改善母豬糞便中的菌群結(jié)構(gòu)，如提高分娩期和哺乳期母豬糞便中乳酸菌（Lactobacillus）含量，降低糞中大腸桿菌（E.coli）含量；在斷奶仔豬日糧中添加0.5% 的酸化劑可以顯著減少腸道中沙門氏菌（Salmonella）和E.coli含量，提高腸道中乳酸菌（Lactobacillus）含量；在禽類飼糧中添加0.1%～0.2% 的酸化劑可減少各腸段中E.coli并顯著提高小腸各段絨毛高度，從而改善腸道健康。

表4 酸化劑對畜禽腸道健康的影響

3.4 影響酸化劑應用的主要因素

3.4.1 酸化劑的類型和用量 不同的酸具有不同的理化性質(zhì)和生物學特性，會產(chǎn)生不同的應用效果。在相同濃度下，pKa 越小，pH 越小，釋放H+的速度越快，解離程度越大。另外，根據(jù)各種酸在不同pH 條件下的離解程度，可以有針對性地配位各種酸。一般來說，解離度較高的酸能有效降低環(huán)境中的pH，而解離度較低的酸中相當一部分處于非解離狀態(tài)，因此能有效抑制環(huán)境中各種病原菌的生長發(fā)育。同樣，每種酸化劑的包被技術(shù)及其類型也影響酸化效果。

3.4.2 飼料類型和組成 不同類型的日糧具不同的酸結(jié)合能力和不同的pH。飼料的酸結(jié)合力和pH 在很大程度上影響著動物消化道內(nèi)容物的pH。例如，礦物質(zhì)和高蛋白飼料（如大豆）比以谷物為基礎(chǔ)的飼料具有更強的系酸力。影響酸化劑的另一個重要因素是膳食蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)的來源和水平。當飼料中含有較多的蛋白質(zhì)（粗蛋白質(zhì)＞25%）或礦物質(zhì)等具有較高緩沖能力的物質(zhì)時，酸化劑的作用可能會減弱。此外，不同類型的蛋白質(zhì)需要不同的pH 才能在胃腸道中進行最佳消化。飼料原料和不同蛋白質(zhì)濃度飼料的pH 和結(jié)合酸量見表5。

表5 常見飼料原料的pH 和系酸力[75]

3.4.3 其他影響因素 酸化劑能夠被飼料中的堿性物質(zhì)中和，從而失去酸化效果，并且在畜禽的不同生長階段發(fā)揮的效果也不相同。在豬上的實踐效果表明，酸化劑在仔豬階段以改善生長性能和免疫功能為主，在育肥豬階段以提高營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收能力為主，在母豬階段以改善母豬腸道菌群平衡為主。此外，酸化劑的吸收速率及飼喂密度、衛(wèi)生條件、光照、濕度、溫度等等因素也會影響酸化劑在動物中的應用效果。

5 小結(jié)和展望

在全面禁抗的背景下，酸化劑在日糧中的作用相對是有益的，酸化劑在畜牧業(yè)生產(chǎn)中具有很大的經(jīng)濟效益和良好的發(fā)展前景，仍有一些亟待解決的問題：①對酸化劑用量的研究缺乏對飼料pH 和系酸力的重視，應考慮建立飼料酸度模型，明晰酸化劑添加量與飼料酸度的關(guān)系；②在研究飼料中各種單酸的作用時，應考慮飼料中其他營養(yǎng)物質(zhì)之間的拮抗和相互作用，如添加含有磷酸的酸化劑時的鈣磷平衡，含有乳酸成分的酸化劑中乳清粉的添加量等；③酸化劑的選擇應根畜禽的類型、特性、生理階段以及飼料原料的組成進行綜合考慮；④建立酸化劑與其他添加劑產(chǎn)品（如精油、酶制劑等）聯(lián)合作用的模型，保證提高畜禽生長性能的同時，又可以提高畜禽肉品質(zhì)，改善腸道健康；⑤應考慮酸化劑的組合效果對飼料原料的影響，以便在特定生產(chǎn)環(huán)境下篩選出較好的酸化劑；⑥充分了解不同種酸的作用機理，根據(jù)畜禽不同生長發(fā)育階段以及不同種酸的解離特點配制適宜的酸化劑配方，以取得最佳效果；⑦盡量減少飼養(yǎng)環(huán)境和飼養(yǎng)管理的變化，以便更好地發(fā)揮酸化劑功效；⑧改進加工工藝，減緩酸化劑在胃中的釋放速率，便于一些未解離的酸進入消化道的后半部分發(fā)揮作用；⑨明晰酸化劑誘導宿主細胞參與調(diào)節(jié)抗菌肽表達的具體機制。此外，酸化劑的研究不僅需要運用飼料營養(yǎng)學和動物生理學的相關(guān)知識，還需結(jié)合化學和微生物學進行系統(tǒng)探討。